Модуль приемника SPDIF сигналов на WM8804

[ViktKors]

Описание приемника SPDIF сигналов на WM8804.

Ничего не изобреталось, просто реализация функций, заложенных в микросхему.

Особенности:
- софтверное управление
- нормальный набор принимаемых частот дискретизации
- режим обратной синхронизации


Пока только "pdf". Чуть позже опишу подробнее.
Тайн нет Вопросы приветствуются.

SPDIF_unit_forum_1.pdf

Фотка из описания. Модуль на макете слева:



По поводу "псевдоМастер" режима:

Скрытый текст

Это почти то-же самое, что у любого устройством с FIFO буфером после наступления момента переполнения.
"Почти" относится к тому обстоятельству, что алгоритмы вставки/удаления семпла могут быть разные, и я понятия не имею, как это реализовано в известных конструкциях.
Про WM8804 могу сказать, что он не просто тупо выбрасывает/вставляет семпл, а производит интерполяцию, меняя и соседние семплы, что благоприятно сказывается на (не)заметности нарушений потока. Более того, это штатный режим работы приемника на случай, когда входной поток настолько "джиттерный", что внутренний FIFO в WM8804 переполняется.

Да, "псевдоМастер" режим вполне может быть основным рабочим, особенно если источник "удачный" (к примеру у меня после прогрева "разебег"с карточкой бывшего "музыкального компа" составляет 1 семпл в ~20 секунд, о чем тут вообще говорить).

Но в данном устройстве ценность подобного режима скорее методологическая. Как правило, сравнивая подобный способ "джиттероподавления" со стандартно восстановленным клоком, сравнивают разные устройства. Как следствие, никогда нельзя быть уверенным, что разница относится именно на счет джиттера, а не иных многочисленных факторов. В данном же случае, при переключении режимов (обычный/мастер/псевдоМастер) задействовано одно и то-же устройство, в котором, за исключением джиттера мастерклока, не меняется практически ничего.
Потому слушатель лично может сделать вывод, насколько критичен для звуковой картины именно восстановленный мастерклок (конечно-же в условиях его системы!).

[свернуть]

[tomtit]

Поскольку я несколько лет назад занимался SPDIF интерфейсом с подавлением джиттера, то позволю
несколько замечаний.
1. Кварцевый генератор 12МГц по идее не должен никак влиять на качество мастерклока. Критическим
звеном является перестраиваемый интегральный LC-гетеродин на несколько ГГц внутри самой WM8804.
2. Оптика или кабель - для WM8804 не должно быть никакой разницы вообще, так как джиттер возникаюший в
цифровом приемнике (из за принципа деиствия это ~ 10нс) на несколько порядков превышает влияние кабеля,
какой бы он ни был.
3. Оптика прекрасно работает на 192К. Даже если кабель наполовину вытянуть из разьема, на звуке это
никак не сказывается. Давно выкинул все коаксиалы, это огромный источник компьютерных помех, как их не фильтруй,
эффект помехи от ИИП компьютера и ЦПУ превышает эффект джиттера на порядок. То же могу сказать и про USB.
К сожалению, трансформаторные и прочие развязки не помогают избавится от широкополосных помех такой интенсивности.
4. На SPDIF служебную информацию надо положить, а частоту определять автоматически по сигналу. Все можно сделать
корректно и без шелчков, правда на ФПГА .
Судя по всему WM8804 весьма кривое и дешевое изделие.
Если бы качество воспроизведения хоть как-то бы интересовало производителей,
то все было бы давно сделано как надо, инженерных проблем в этом нет никаких.
Но увы, проблема копирайтов - вот что движет развитием цифрового аудио.

[derrik]

Offтопик:
Если бы DIR9001 умела играть 192 к, то ей бы небыло конкурентов

[Ромыч]

Опять-же, на 44/48 сигнал отлично идет уже при приближении разъема к штеккеру на пару сантиметров - достаточно просто рядом положить, а на 176/192 неплотная посадка в разъеме, чуть шнур натянули - и приехали, тишина.

Я в свое время так с компа спдиф по оптокабелю гнал - к ТТЛ выходу подключал светодиод красный (через резюк ессно), который "смотрел" прямо в оптокабель. Работало ))))))

[ViktKors]

tomtit, Спасибо большое за уделенное внимание.

1. Кварцевый генератор 12МГц по идее не должен никак влиять на качество мастерклока.

Он влияет, к сожалению.. Например, использование вместо осциллятора датащитного кварца сразу дает кучу характерных "палок" низкого уровня. Вроде как встроенный генератор питается от общего питания WM-ки, а оно здорово модулируется от постоянных перестраиваний внутренней DPLL. Видно это очень хорошо.

2. Оптика или кабель - для WM8804 не должно быть никакой разницы вообще, так как джиттер возникаюший в
цифровом приемнике (из за принципа деиствия это ~ 10нс) на несколько порядков превышает влияние кабеля,
какой бы он ни был.

Верно, нет никакой разницы (на 44-96 кГц - так и вообще никакой). Но до некоторой пороговой величины. То есть на проводах я вообще не сталкивался с тем, чтоб джиттер линии пролазил на выход, а вот с оптикой - вполне бывало.

3. Оптика прекрасно работает на 192К. Даже если кабель наполовину вытянуть из разьема, на звуке это
никак не сказывается.

Значит мне тотально не везет. Не исключено, что я не один такой.
Какие приемники/передатчики Вы порекомендуете использовать для 192 кГц?

Давно выкинул все коаксиалы, это огромный источник компьютерных помех, как их не фильтруй,
эффект помехи от ИИП компьютера и ЦПУ превышает эффект джиттера на порядок. То же могу сказать и про USB.
К сожалению, трансформаторные и прочие развязки не помогают избавится от широкополосных помех такой интенсивности.

Ну трансформаторные оно как-бы вообще только от 50 Герцевых земляных петель ;), к чему их упоминать..
А "прочие" - ну пролезло черех пару пикофарад изолятора или дросселя сколько-то, дальше-то тоже не все так однозначно ;)

Какие бы Вы посоветовали критерии для оценки "эффекта помехи от ИИП компьютера и ЦПУ"?

4. На SPDIF служебную информацию надо положить, а частоту определять автоматически по сигналу.

На нее и по-большому счету и "положено". В явном виде она используется только для определения текущей частоты дискретизации в Мастер режиме. Там альтернативных вариантов два: каждый раз ходить к ЦАП и выбирать Fs руками, или реализовать дополнительный канал передачи информации.

Возможно, это не самый очевидный момент.
В мастер режиме передатчик не начинает отсылать СПДИФ поток, до тех пор, пока не получит тактирующих импульсов от приемника ЦАП.
А когда импульсы придут, передатчик будет отгружать поток ровно с частотой следования импульсов. И плевать передатчику, как оно должно выглядеть, 44 кГц, или 192, передатчик будет делать ровно то, о чем его просят, выдавать сигнал на частоте запросов приемника.
Т.е. приемник обязан знать, запросы на какой частоте нужно подавать.
1. Узнать он это может от слушателя, который посмотрит информацию о файле и забъет ее в приемник кнопками.
2. Еще приемник может подсмотреть нужную информацию в регистрах служебной информации СПДИФ потока, и соответствующим образом скорректировать частоту, которую он выдает наружу для тактирования источника СПДИФ потока.
Второй путь ИМХО несколько более удобен, даже если приходится подождать 2 секунды. Но и "положить на служебную информацию", встать с дивана, сходить к ЦАП и переключить Fs кнопкой тоже можно

Все можно сделать
корректно и без шелчков, правда на ФПГА .

На ФРГА можно. Только о каких щелчках идет речь, и что в этой связи нужно сделать более "корректно"?

Судя по всему WM8804 весьма кривое и дешевое изделие.

Дешевое - да. "Кривизна"-же - весьма относительно понятие (особенно в сравнении с конкурентами ;) ). К тому-же, эта "кривизна" явно может иметь куда более низкий порядок, чем абсолютное большинство устройств, к которым подключают WM-ку.


Ну а поскольку зайти на "Маузер" и просто купить нечто более дорогое и "менее кривое" никак не получится (в силу отсутствия предложения), это самое нужно сконструировать самому, делов-то. Просто на все нужно время..
Ну и вопрос еще, сколько будет субъективной прибавки качества..

[tomtit]

Offтопик:
ViktKors,
Фазовый шум SI552, точные данные.

[dortonyan]

Offтопик:
tomtit, а есть смысл вместо WM8804 использовать АПЧ на основе Si514? Фазовый шум похуже чем у 552 или 570, но зато потребление тока вполне гуманное.

[s3tup]

Offтопик:

Фазовый шум SI552, точные данные.

дб на 10 получше простых осциляторов из магазина...
Как альтернатива вольфсону - полезная штука.

[ViktKors]

Offтопик:

ViktKors,
Фазовый шум SI552, точные данные.

Спасибо.

[Denisius]

ViktKors, как полагаете если остаться в сетках 44,1 , 48 , 96 стоит ли указывать PLL оптимальные коэффициенты с точки зрения уменьшения джиттера, или приёмник в этих сетках и сам справляется не хуже?

[ViktKors]

ViktKors, как полагаете если остаться в сетках 44,1 , 48 , 96 стоит ли указывать PLL оптимальные коэффициенты с точки зрения уменьшения джиттера, или приёмник в этих сетках и сам справляется не хуже?

Вкратце так:

Для сигналов кратных 44.1 кгц и для кратных 48 кГц можно выставить коэффициенты PLL так, чтоб частота PLL сразу была кратна нужному клоку (90/98 МГц = 4 х 22.5/24.5 МГц).
При этом все захватывается оптимально. Причем захват возможден только на "родной" частоте. Фактически, такая попытка захвата в пару десятков миллисекунд вполне позволяет определить, какая из сеток сейчас активна.

На 176 и 192 кГц работа возможна только с такими коэффициентами PLL и с процедурой пробных захватов.



После того, как частота захвачена, для режимов 32-96 кГц стоит перегрузить PLL на дефолтные коэффициенты. Это частота (~ 94 МГц), которая находится ровно посередине между той, что кратна 22 МГц и той, что кратна 24 МГц. Через некоторое время WM8804 сам подстроит коэффициенты PLL под нужное значение и будет нормально воспроизводить сигнал.

По идее, после того, как захват осуществлен, начальные значения PLL не должны играть вообще никакой роли, ведь так или иначе PLL должна синтезировать (восстанавливать) одну и ту-же частоту мастерклока. Но..
Я предполагаю, что прикол тут, скорее всего в адаптовном алгоритме PLL. Если судить по косвенным признакам (возможно я интерпретирую неправильно), то упрощенно получается так:

Когда PLL стартует с частоты, которая мало отличается от нужной, PLL подстраивается часто, но не сильно (в пределах нескольких сотен Гц). Клок как-бы размывается, выглядит это как известная "юбка" у мощных ВЧ пиков. На самом деле это не шумовое уширение линии, а множество небольших пиков, которы просто сливаются при усреднении (в pdf можно посмотреть на спектр 18+19 кГц для Toslink с fs = 192 кГц и сравнить с соседними графиками).

Если-же стартовать с "датащитных" коэффициентов, PLL периодически скачет на несколько кГц, но делает это гораздо реже, как-будто она так и не сужает свою полосу после захвата. С одной стороны, такие скачки должны быть более заметными, чем в первом случае с "захватными" коэффициентами (НЧ-джиттер заметен меньше), с другой стороны, эти артефакты имеют куда меньшую амплитуду. Потому судить трудно. На слух тоже затруднительно, ввиду того, что в моих нынешних условиях отличия практически незаметны не только между PLL-режимами, но даже между USB/Мастер/слейв. Потому я очень рассчитываю на результаты прослушиваний другими людьми.



П.С. Далее чистые спекляции . Может оказаться, что важную роль тут играет именно такая особенность WM8804, как буффер. Рискну предположить, что в "датащитном" режиме PLL довольно грубо реагирует на сигнал управления (указатель заполнения буффера, как можно понять по материалам от вольфсона). Пока буффер не переполнится/опустошится, клок стабилен и не содержит никаких примесей в течение всего времени между скачками. ФШ клока имеет вполне приемлемые значения (надеюсь все-же соберусь измерить), и на аналоговом выходе реализует себя как повышение шума (можно считать, что "белого") в присутствии мощных ВЧ сигналов, причем это происходит на уровнях ниже -110 - -120 дБ, где все отлично маскируют обычные термические шумы аппаратуры.
А потом происходит скачек смены коэффициентов PLL, и опять все стабильно.

Судя по тому как набирают популярность всевозможные ФИФО, думаю многие уже заметили, что джиттер от переполнения буффера субъективно практически незаметен, несмотря на его чудовищные значения (22 микросекунды, при том, что значение в 22 пикосекунды - в миллион (!) раз меньше - уже считается очень плохим).
Не исключено, что тут происходит нечто подобное, только вместо вставки/потери сэмпла происходт смена частоты клока. Вместо постоянного плавания частоты мастерклока (как это имеет место с плохим клоком) или вместо коррелированного с сигналом джиттера данных (что видно на многих картиках J-теста) у WM8804 частота клока может быть довольно стабильной, периодически меняясь скачками, что мы замечаем куда меньше.

[antecom]

"Ниже приведены некоторые результаты измерений данного модуля совместно с макетом "балансного" ЦАП на AD1955 в моно-включении."

Меряется очень хорошо, лучше -120дБ, по крайней мере на частоте 1кГц.
Виктор, не пробовали пропустить какую-нибудь качественную запись через эту связку ЦАП/АЦП и сравнить на слух с исходным файлом?

[sia_2]

Если бы качество воспроизведения хоть как-то бы интересовало производителей,
то все было бы давно сделано как надо, инженерных проблем в этом нет никаких.
Но увы, проблема копирайтов - вот что движет развитием цифрового аудио.

Дык в аудио это, по крайней мере, не опасно. А вот более неприятный пример http://ko.com.ua/kachestvo_vstraivae...uchilsya_98518

[aal]

Offтопик:

А вот более неприятный пример

Кайф! Я писал одну программку под 850 - не скажу что был очень доволен камнем, но получше многих других. Английский в описании ещё тот, но понять можно . По надёжности претензий "0". На каком камне начали отладку, на том и закончили - не умер от пыток жутких . К сожалению, в серию не пошло.

[ViktKors]

Меряется очень хорошо, лучше -120дБ, по крайней мере на частоте 1кГц.
Виктор, не пробовали пропустить какую-нибудь качественную запись через эту связку ЦАП/АЦП и сравнить на слух с исходным файлом?

Не пробовал.
При измерениях сигнал довольно сильно ослабляется перед АЦП, т.е. измеренные искажения (ну и всякое разное) сидят довольно глубоко под шумом. Если в таком режиме записать музыку, там от ДД и 16-бит не останется.
Если подавать на АЦП без существенного ослабления, собственные гармоники АЦП оказываются на десяток-полтора дБ выше, чем у ЦАП. Поэтому, что именно будет слышно - большой вопрос.


В принципе, ИМХО, можно утверждать, что некоторые отличия от оригинала даже при идеальном АЦП будут слышны, "почерк" у ЦАП присутстует (имхо "полностью нейтральное устройство" - это из области мифов). Хотя конечно далеко не всегда можно это расслышать.


Как пример. На том-же макете плата ЦАП на одиночном 1955 имеет искажения буквально лишь на 6 дБ выше (и то и то - явно субпороговые величины), но звучит такой ЦАП чуть иначе. Формально разница в том, что несимметричная нелинейность, ответственная в стерео-варианте за доминирующую 4-ую гармонику, в моно-включении оказывается симметричной, а "выпирает" (вместо 4-ой) уже 5-ая гармоника. Но в обоих случаях при небольшом снижении уровня сигнала (как оно бывает на реальной фонограмме) эта 4/5-ая гармоника исчезает, так что списать на это некоторую разницу в звуке вряд-ли возможно.

Кроме того, на 1955 в стерео едва-ли возможно заметить субъективное снижение качества со СПДИФ-модулем и восстановленным мастерклоком. На 1955 в моно при SPL под 100 дБ - это вполне решаемая задача.

Правда, при всей схожести, моно-ЦАП все-же построен чуть иначе. Более качественное питание аналоговой части AD1955, более громоздкие цифровые цепи (с двумя преобразователями все несколько сложнее) и прочие мелочи. Никак не соберусь сделать описание для форума.

[antecom]

Не пробовал.
При измерениях сигнал довольно сильно ослабляется перед АЦП, т.е. измеренные искажения (ну и всякое разное) сидят довольно глубоко под шумом. Если в таком режиме записать музыку, там от ДД и 16-бит не останется.

Да, действительно. Об этом я не подумал.
Кстати, а почему выбрали АЦП на PCM4222? Судя по даташиту, у PCM4202, искажения чуть ниже (не просматриваются за шумом на уровне -150дБ при входном сигнале -20дБ).

В принципе, ИМХО, можно утверждать, что некоторые отличия от оригинала даже при идеальном АЦП будут слышны, "почерк" у ЦАП присутстует (имхо "полностью нейтральное устройство" - это из области мифов). Хотя конечно далеко не всегда можно это расслышать.

При идеальном АЦП можно было бы вычесть оцифрованный сигнал из исходного тем же Audio DiffMaker-ом, проанализировать и понять с чем бороться. Ну или успокоиться

Правда, при всей схожести, моно-ЦАП все-же построен чуть иначе. Более качественное питание аналоговой части AD1955, более громоздкие цифровые цепи (с двумя преобразователями все несколько сложнее) и прочие мелочи. Никак не соберусь сделать описание для форума.

Цап интересный. Будем ждать

[ViktKors]

Да, действительно. Об этом я не подумал.
Кстати, а почему выбрали АЦП на PCM4222? Судя по даташиту, у PCM4202, искажения чуть ниже (не просматриваются за шумом на уровне -150дБ при входном сигнале -20дБ).

Да никакого умысла нет. Про 4222 и не думал, просто Демоборда подвернулась с оказией. А поскольку она меня вполне устроила (почти ничего и не менялось), планы на АЦП так и остались планами.
По искажениям на пониженном (-20 - -30дБ) уровне 4222 тоже вполне приемлем. По крайней мере, режекторные и непосредственные измерения гармоник уровней порядка -130 дБ практически не отличаются.

При идеальном АЦП можно было бы вычесть оцифрованный сигнал из исходного тем же Audio DiffMaker-ом, проанализировать и понять с чем бороться. Ну или успокоиться

ДифМейкер, наверное, можно попробовать. Вряд-ли им он поможет в оценке самого ЦАП, но можно будет попытаться выцепть какие-либо артефакты СПДИФ сигнала.

[antecom]

ДифМейкер, наверное, можно попробовать. Вряд-ли им он поможет в оценке самого ЦАП, но можно будет попытаться выцепть какие-либо артефакты СПДИФ сигнала.

Если искажения АЦП ниже чем у ЦАП, и возможности для сравнения дифмейкером ограничены шумом АЦП, можно оцифровать один и тот же музыкальный фрагмент несколько раз и усреднить результат, выиграв по шумам 3дБ с каждым удвоением кол-ва прогонов.
Конечно при этом усреднятся и шумы ЦАП и возможные случайные флуктуации, но все коррелированные с сигналом артефакты типа тепловых искажений останутся. Ценность метода, имхо, в поверке на реальном сигнале.

[ViktKors]

Если искажения АЦП ниже чем у ЦАП, и возможности для сравнения дифмейкером ограничены шумом АЦП, можно оцифровать один и тот же музыкальный фрагмент несколько раз и усреднить результат, выиграв по шумам 3дБ с каждым удвоением кол-ва прогонов.
Конечно при этом усреднятся и шумы ЦАП и возможные случайные флуктуации, но все коррелированные с сигналом артефакты типа тепловых искажений останутся. Ценность метода, имхо, в поверке на реальном сигнале.

Сложно все это..
Реально для малых искажений уровень на входе АЦП обычно порядка -30 дБFS. При относительных интенсивностях искажений под -130 дБ продукты искажений оказываются на -160 дБ от полной шкалы, т.е. на 40 дБ под шумом АЦП и на 15 дБ под уровнем, соответствующим LSB у АЦП. Соответственно, сразу очевидны два "тонких" момента:
1) чтобы уменьшая шум усреднением добраться до уровней, когда шум сравним с искажениями, нужно сделать 10.000 оцифровок
2) поскольку положение отсчетов оцифрованного сигнала отличается по времени от такового у оригинала, дифмейкеру так или иначе придется делать пересчет (ресемплинг). Причем точность этого пересчета должна оставить неизменными эффекты уровня "16 дБ под LSB", т.е. пересчет должен быть достаточно тщательным; сначала точно пересчитать/просуммировать, а потом уже, вогнать с дизерингом в обычные 24-ре бита.


Просматривая сайт дифмейкера, обратил внимание на упоминание такого момента как стабильность и точность клока. По-хорошему (а фактически, чтоб получить хоть что-то на оговоренных уровнях) ЦАП и АЦП должны работать от одного такта. Организовать такое корректно (гальваноразвязки, джиттер, наводки) - морока еще та. А учитывая, что на АЦП джиттер влияет так-же (если не сильнее), как и на ЦАП, все это здорово снижает достоверность результата.
Опять-же, если в этом свете (сабж!!) рассматривать работу ЦАП от СПДИФ, то можно заметить, что "плавающий" клока от СПДИФового PLL напрочь исключает возможность использования АЦП со своим кварцем. А если даже удастся организовать идеальную синхронизацию АЦП от ЦАПового СПДИФ-клока, то все равно непонятно как интерпретировать то, что получится. Вопрос-то именно в том, как ведет себя ЦАП с неидеальным клоком. Что будет, если и ЦАП и АЦП тактируются хоть и синхронно, но оба "нехорошим" клоком?...


-----------
ИМХО, дифмейкер - отличная штука, во многих случаях. Например если нужно оценить точность системы в "обычных" рамках ~16-ти бит (например для параллельных ЦАП или старых сигма-дельт с артефактами вроде ненулевой дифференциальной нелинейности). Или когда есть возможность (как при тестировании УНЧ) одновременно записывать и референсный и искаженный сигнал (например в разные каналы АЦП). Но когда нужно работать с очень малыми нелинейностями и при этом еще и несинхронно, оптимизм несколько угасает.


------------
Ну и такой момент. Даже абстрактный идеальный ЦАП - это только часть проблемы "идеального источника". Оно конечно при измерениях все замечательно, ЦАП по входу развязан от источника, а на выходе висит АЦП, который тоже развязан от чего только можно. Как оно будет в реальной системе - заранее не скажешь.
Как пример, измерения не показывают вообще никакой разницы между подключении ЦАП к АЦП что "балансом", что при несимметрично, когда АЦП подключается отдельно только к одной из половинок балансного выхода (ну кроме закономерных минифлуктуаций второй гармоники). Нет никаких оснований ожидать, что и дифмейкер обнаружит тут какую-либо разницу.
В то-же время, в реальной жизни между XLR и RCA -подключением обычно существует вполне себе заметное отличие по звуку.

[antecom]

Виктор, спасибо за подробный комментарий. Действительно, все очень зыбко.

Что будет, если и ЦАП и АЦП тактируются хоть и синхронно, но оба "нехорошим" клоком?...

Джиттер, по идее, будет взаимо вычитаться. Правда обеспечить строго одинаковую "нехорошесть" такта у физически разнесенных устройств, конечно не получится.
Вообще, меня бы обрадовал результат совпадения старших 16 бит в оцифрованном сигнале с исходным wav файлом. Ведь это означало бы, что по крайней мере для фонограмм CDDA качества источник не вносит никакой деградации. Правда с учетом информации из этого поста, для AD1955 изменения на уровне 15-16 бита будут уже после ЦФ (что, понятное дело, особенность, а не недостаток данного ЦФ).

[ViktKors]

Вообще, меня бы обрадовал результат совпадения старших 16 бит в оцифрованном сигнале с исходным wav файлом.

Постараюсь попробовать, если ставить задачу посмотреть разницу с "глубиной" 16 бит, то вероятность, что получится есть.